JP2012156281A

JP2012156281A - 空芯コイル

Info

Publication number: JP2012156281A
Application number: JP2011013624A
Authority: JP
Inventors: Yuta Nakagawa; 雄太中川; Shingo Tanaka; 信吾田中
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-08-16

Abstract

【課題】コイルの面積、コイルに使用する導線の太さやピッチを固定したまま、共振周波数を低下することができる空芯コイルを提供する。
【解決手段】上側コイル３と下側コイル４とが互いに重ねられるように配置されているとともに、上側コイル３と下側コイル４とが電気的に直列接続され、上側コイル３と下側コイル４とは重ねて配置された際に同じ方向に巻かれている。
【選択図】図１

Description

本発明は、平面上で導体を渦巻状に構成したコイルを備えた空芯コイルに関する。

非接触で配置した１次側コイルと２次側コイルとを磁気的に結合し、電磁誘導を利用して電力を伝送する電力伝送装置が、様々な機器に使用されることが多くなっている。この種の電力伝送装置は、送信側に一次コイルが、受信側に二次コイルがそれぞれ設けられ、一次コイルから発生する交流磁力線が二次コイルを貫通して、二次コイルに交流の起電力が発生させるようになっている。この起電力は、直流の電力に変換され、受信側の機器に電力が伝送される。

上述した電力伝送装置に使用されるコイル（非接触電力伝送コイルともいう）は、平面上で導線を渦巻状に構成した空芯コイルが使用される（例えば特許文献１、２を参照）。

特開２００７−３１７９１４号公報特開２００９−１５８５９８号公報

非接触電力伝送コイルは、一般にコイルの導線長を長くすることで、電力伝送に使用する共振周波数が低下することが知られている。そのため導線長が長くなるようにコイルを多巻きにし、共振周波数を低下させることにより、電力伝送装置を作製する際にコストダウンを図ることができる。しかしながら、コイルの面積を固定すると、コイルに使用する導線の太さとピッチの制約から導線長（巻き数）に制限が生じ、これが共振周波数の下限となっていた。

そこで、本発明は、コイルの面積、コイルに使用する導線の太さやピッチを固定したまま、共振周波数を低下することができる空芯コイルを提供することを課題とする。

上記課題を解決するためになされた請求項１に記載の発明は、平面上で導体を渦巻状に構成したコイルを備えた空芯コイルにおいて、複数の前記コイルが前記渦巻の中心軸方向に互いに重ねられるように配置されているとともに、複数の前記コイルが電気的に直列接続されていることを特徴とする空芯コイルである。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、複数の前記コイルが重ねられて配置された際に、各々の前記コイルの前記渦巻は互いに同じ方向に巻かれていることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、複数のコイルが渦巻の中心軸方向に互いに重ねられるように配置されているとともに、複数のコイルが電気的に直列接続されているので、コイルの面積、コイルに使用する導線の太さやピッチを固定したままで導線長を延ばすことができるため、共振周波数を低下させることができる。したがって、共振周波数を維持する場合であれば面積を小型化することができる。

請求項２に記載の発明によれば、複数のコイルは重ねられて配置された際に同じ方向に渦巻が巻かれているので、コイルに電流が流れた際に発生する磁界の向きが揃うため強い磁界が発生し電力の伝送特性を向上させることができる。

本発明の一実施形態にかかる空芯コイルの斜視図である。図１に示された空芯コイルの上側コイルと下側コイルの接続部を示した説明図である。図１に示された空芯コイルと従来の平面コイルとのＳパラメータを比較したグラフである。図１に示された空芯コイルと上側コイルと下側コイルとの巻かれている方向が逆方向である場合とのＳパラメータを比較したグラフである。本発明の他の実施形態にかかる空芯コイルの斜視図である。図１に示された空芯コイルと図５に示しされた空芯コイルとのパラメータを比較したグラフである。

次に、本発明の一実施形態を図１ないし図４を参照して説明する。本発明の一実施形態にかかる空芯コイル１は図１に示したように、コイルとしての上側コイル３および下側コイル４と、を備えている。

上側コイル３は、銅等の金属（導体）が絶縁皮膜で覆われている導線２が渦巻状に巻かれて構成されている。また、上側コイル３の巻き数は図１で１０程度であるが、設定したい共振周波数に合わせて任意に設定すればよい。

下側コイル４は、上側コイル３と同様に導線２が渦巻状に巻かれて構成されている。また、下側コイル４の巻き数は図１では上側コイル３と同じ巻き数であるが異なっても良い。また、上側コイル３と下側コイル４とは、それぞれの渦巻きの中心軸が同軸になるように重ねられて配置されている。

また、上側コイル３と下側コイル４とは、渦巻きの最内周側で、図２に示したように、上側コイル３の他方の端部３ｂから下側コイル４に向かって折り曲げられ下側コイル４の一方の端部４ａに接続される接続部２ａによって電気的に接続されており、さらに、上側コイル３と下側コイル４とは、互いに同じ方向に渦巻きが形成されるように導線２が巻かれている。

このように構成された空芯コイル１は、例えば、電力伝送装置の一次側コイルとして使用することができ、その場合、上側コイル３の一方の端部３ａ側から電流を流すと、上側コイル３の他方の端部３ｂ、接続部２ａ、下側コイル４の一方の端部４ａ、下側コイル４の他方の端部４ｂと電流が流れる。つまり、２つのコイルは電気的に直列接続されている。そして空芯コイル１に電流が流れると、上側コイル３と下側コイル４を構成する導線２の周囲に磁界が発生し、その磁界により図示しない二次側コイルに誘導電流が流れ電力を伝送することができる。即ち、重ねられたコイルのうちの一方側のコイル（上側コイル３）の他方の端部３ｂと他方側のコイル（下側コイル４）の一方の端部４ａとが電気的に接続されている。

次に、本発明者らは、従来の平面コイル（複数のコイルが重ねられていない）と図１に示した空芯コイル１との電力伝送特性を電磁界シミュレーションにて検証し、本発明の効果を確認した。その結果を図３に示す。また、この電磁界シミュレーションに用いたコイルの設定値としては、従来の平面コイルは、コイルの直径を６０ｍｍ、導線２の直径を２ｍｍ、導線２間のピッチを２．５ｍｍ（導線２の周りに厚さ０．２５ｍｍの被覆を想定）とし、図１に示した空芯コイル１（図３では２重構造と表記）は、上側コイル３と下側コイル４ともに従来の平面コイルと同じコイル直径、導線直径、導線間ピッチとし（つまり従来の平面コイルを２つ重ねて直列接続した）、上側コイル３と下側コイル４との間隔を３ｍｍとした。

図３は、従来の平面コイルと図１に示した空芯コイル１とのＳパラメータのうち、Ｓ１１（反射損失）とＳ２１（挿入損失）を示したグラフである。図３の縦軸はＳ１１およびＳ２１の値、横軸は周波数を示し、図３の細線は２重構造（空芯コイル１）のＳ１１、太線は２重構造（空芯コイル１）のＳ２１、点線は従来の平面コイルのＳ１１、一点鎖線は従来の平面コイルのＳ２１をそれぞれ示している。

図３によれば、空芯コイル１は従来の平面コイルと同等のコイル面積、導線の太さ、ピッチであるにも関わらず、導線長が２倍になったため共振周波数が１／２以下に低下していることが明らかとなった。

次に、上側コイル３と下側コイル４との渦の巻く方向の違いによる電力伝送特性を電磁界シミュレーションで検証した。その結果を図４に示す。図４は、図１に示したように上側コイル３、下側コイル４ともに渦巻きが同じ方向である（順巻：例えば、上側コイル３、下側コイル４ともに同じ方向から見て渦巻きが右巻き或いは左巻きで一致している）場合と、上側コイル３、下側コイル４が互いに渦巻きが逆方向である（逆巻：例えば、同じ方向から見て上側コイル３の渦巻きが右巻きで上側コイル３の渦巻きが左巻きである）場合と、を比較したＳパラメータのグラフである。また、図４の縦軸はＳ１１およびＳ２１の値、横軸は周波数を示し、図４の細線は順巻（図１の空芯コイル１）のＳ１１、太線は順巻（図１の空芯コイル１）のＳ２１、点線は逆巻のＳ１１、一点鎖線は逆巻のＳ２１をそれぞれ示している。

図４によれば、順巻、つまり上側コイル３、下側コイル４ともに渦巻きが同じ方向に巻かれている場合の方が、逆巻、つまり上側コイル３、下側コイル４が互いに渦巻きが逆方向に巻かれている場合よりも共振周波数が低下することが明らかとなった。これは、順巻の場合は、上側コイル３と下側コイル４に流れる電流の向きが揃うため、その電流によって導線２の周りに発生する磁界の向きも揃うが、逆巻の場合は、上側コイル３と下側コイル４に流れる電流の向きが逆向きになるため、その電流によって導線２の周りに発生する発生する磁界の向きも逆向きになり互いに打ち消しあってしまい周波数特性に悪影響を及ぼしているためである。したがって、複数のコイルを重ねて配置した場合に、複数のコイルは順巻とした方が、より共振周波数を低下させることができる。換言すれば、共振周波数を変化させずにより面積を小さくすることができる。

本実施形態によれば、上側コイル３と下側コイル４とが互いに重ねられるように配置されているとともに、上側コイル３と下側コイル４とが電気的に直列接続されているので、コイルの面積、コイルに使用する導線の太さやピッチを固定したままで導線長を延ばすことができるため、共振周波数を低下させることができる。したがって、共振周波数を維持するのであれば、１つの平面コイルを上側コイル３と下側コイル４とに分けて重ねて配置すればよく、コイルの面積を小型化することができる。また、上側コイル３と下側コイル４とは重ねて配置された際に同じ方向に巻かれているので、コイルに電流が流れた際に発生する磁界の向きが揃うため強い磁界が発生し電力の伝送特性を向上させることができる。また、上側コイルと下側コイルとが直列接続されているので、一つの導線から２つのコイルを容易に加工することができる。

なお、上述した実施形態では、空芯コイル１は上側コイル３と下側コイル４の２重構造であったが３重以上としてもよい。つまり、コイルを３つ以上重ねて配置してもよい。３重構造の場合を図５に示す。図５に示した空芯コイル１０は、第１コイル１１と、第１コイル１１の下側に配置された第２コイル１２と、第２コイル１２の下側に配置された第３コイル１３と、を備え、各コイルは渦巻きの中心軸が同軸になるように重ねられて配置されている。図５に示した空芯コイル１０は、例えば、第１コイル１１の一方の端部から電流を流した場合、第１コイル１１の他方の端部、第２コイル１２の一方の端部、第２コイル１２の他方の端部、第３コイル１３の一方の端部、第３コイル１３の他方の端部と電流が流れるように各コイルが接続されている。つまり、３つのコイルが直列接続されている。そして、第１コイル１１、第２コイル１２、第３コイル１３の渦巻きの方向は同じ方向となっている。

図６に、２重構造と３重構造を比較した電磁界シミュレーション結果のグラフを示す。図６における空芯コイル１０の設定値は、図１に示したコイルとコイルの直径、導線２の直径、導線２間のピッチを同じで３重にしたものである（コイル間の間隔も同じ）。また、図６の縦軸はＳ１１およびＳ２１の値、横軸は周波数を示し、図６の細線は３重構造のＳ１１、太線は３重構造のＳ２１、点線は２重構造のＳ１１、一点鎖線は２重構造のＳ２１をそれぞれ示している。

図６によれば、３重構造は２重構造よりも共振周波数が低下していることが明らかとなった。したがって、多重構造（多重巻き）にすることにより同面積で共振周波数を低下させることができることが明らかとなった。

また、上述した実施形態では導体に絶縁皮膜で被覆した導線２を用いた構造であったが、それに限らず、プリント基板上にパターン化された導体で形成されたコイルであっても、プリント基板を多層構造にして各層をスルーホール・ビアなどで接続することで同様の効果を得ることができる。

なお、上述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施の形態に限定されるものではない。すなわち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１空芯コイル
２導線
３上側コイル
４下側コイル

Claims

平面上で導体を渦巻状に構成したコイルを備えた空芯コイルにおいて、
複数の前記コイルが前記渦巻の中心軸方向に互いに重ねられるように配置されているとともに、複数の前記コイルが電気的に直列接続されていることを特徴とする空芯コイル。
複数の前記コイルが重ねられて配置された際に、各々の前記コイルの前記渦巻は互いに同じ方向に巻かれていることを特徴とする請求項１に記載の空芯コイル。